一種非化學計量比等溫合成天然氣的方法與流程

2023-04-23 02:34:51 2

本發明屬於合成天然氣和煤化工技術領域，具體涉及一種非化學計量比等溫合成天然氣的方法。

背景技術：

我國的能源結構是「富煤、貧油、少氣」，隨著環保政策的加強和可持續發展戰略的實施，我國對天然氣的需求將與日俱增，預計到2020年，需求量達到2000億m3，而同期天然氣的產量約1400～1600億m3，因此，今後幾年將會出現天然氣供需矛盾。目前，我國已經建成投產的大型煤制天然氣裝置有4套，分別是大唐克旗、遼寧阜新、內蒙匯能、新疆慶華煤制天然氣項目，規模共計514億m3，除此之外，目前正在開展前期工作和規劃中的煤制天然氣項目還有10多個，年總產能已達到1600億立方米。煤制合成天然氣是一種調整能源結構、緩解市場需求的有效舉措之一，也是作為國家戰略技術儲備的發展要求。

在煤制合成天然氣的工藝技術中，主反應為co、co2與h2反應生成ch4和h2o，屬於強放熱反應過程。目前現有的工藝裝置中，通常來自煤氣化的粗合成氣中co的含量高，甚至可達70％(幹基)，因此需要先經過耐硫變換流程或從界外引入h2調節氫碳比[(h2-co2)/(co+co2)]，再經過co2、h2s等酸性氣體淨化單元獲得的合成氣滿足甲烷化反應所需要的化學計量比[(h2-co2)/(co+co2)]＝3，進入合成氣製取天然氣。目前國際上成熟的技術主要有，德國魯奇(lurgi)公司甲烷化工藝、丹麥託普索(topsoe)公司tremptm技術和英國戴維(davy)公司的crg技術。它們都是採用多段固定床絕熱反應器串並聯，氫碳比均控制在3左右，操作溫度為250～700℃，在段間設置換熱器，移走反應熱，同時副產蒸汽。缺點是通過大量的工藝氣循環來獲得合理的絕熱溫升，能耗大；系統流程較長，通常需要串聯4～5級反應器獲得高純度天然氣。

近年來，國內的一些學者對合成天然氣工藝進行了改進和研究。專利cn102010284b公開了一種「煤基合成甲烷化生產代用天然氣的方法」，合成氣需要經過變換、淨化調節甲烷化反應的化學計量比，系統採用三段反應器串聯；專利cn103509618a提出了「一種煤基合成氣製備合成天然氣的甲烷化工藝」，合成氣的氫碳比為2.8～3.1，採用四段絕熱反應器，第一段出口溫度為450～550℃，第二段出口溫度為600～700℃，第三段出口溫度為400～500℃，第四段出口溫度為250～350℃，流程較長、需要循環壓縮機給循環氣加壓，系統能耗高。專利cn101649233公開了「一種製取合成天然氣的等溫甲烷化工藝」，至少需要兩級以上甲烷化反應，其中第一級採用絕熱甲烷化反應器，後面各級採用等溫反應器進行甲烷化。絕熱甲烷化反應器操作溫度高，設備和管道材質要求高，催化劑壽命短。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對現有技術存在的不足之處，而提供一種非化學計量比合成天然氣的方法，主要由變換爐、甲烷化爐、ch4提純裝置、氣液分離器以及多臺換熱器串聯等設備構成。進入裝置的合成氣不需要調節氫碳比，採用兩級不同反應過程的等溫反應器串聯生產天然氣，具有投資少、能耗低，熱量利用效率高等特點。

本發明的目的可以通過以下技術方案實現：

一種非化學計量比等溫合成天然氣的方法，該方法是將來自上遊酸性氣體脫除裝置的合成氣進入合成氣加熱器升溫後與高壓蒸汽混合後進入變換爐進行等溫變換反應，得到富氫工藝氣；所述的富氫工藝氣經過第一鍋爐水加熱器降溫後，進入到甲烷化爐發生甲烷化反應，所得富甲烷工藝氣經過合成氣加熱器被冷卻，進入第二鍋爐水加熱器降溫後，經過脫鹽水加熱器被進一步冷卻，然後進入冷卻器被冷卻，進入到氣液分離器分離凝液後，氣相去ch4提純裝置除去co2等雜質氣體，得到高純度甲烷的天然氣和高純度co2氣體，液相去界外回用。

上述方法中：來自界外的高壓鍋爐水分為兩股，一股去第一鍋爐水加熱器升溫後去變換爐副產高壓蒸汽；另一股經過第二鍋爐水加熱器升溫後去甲烷化爐副產高壓蒸汽；所得兩股飽和高壓蒸汽經過汽包混合後送去界外。在一些優選的技術方案中：副產高壓蒸汽壓力等級調節範圍為2.5～6.5mpa。

在一些優選的技術方案中：進入變換爐的混合氣體溫度控制在200～300℃之間，變換爐為等溫反應器，操作溫度控制在250～350℃。

在一些優選的技術方案中：進入甲烷化爐的工藝氣溫度控制在200～300℃，甲烷化爐為等溫反應器，操作溫度控制在280～350℃。

上述方法中，來自上遊合成氣由煤氣化經過熱回收後進入酸性氣體脫除裝置獲得，過程不需要耐硫變換過程調節氫碳比，而且酸性氣體脫除裝置只需脫硫，無需脫碳。

所述的合成氣先與來自界外的高壓蒸汽混合後，再進入變換爐，發生非耐硫變換反應。

本發明技術方案中：所述的ch4提純為成套供貨裝置，具體採用變壓吸附、深冷分離、膜分離等技術。

本發明技術方案中：所述的合成氣的來源包括水煤漿氣化、循環流化床氣化、粉煤氣化等裝置。

本發明的有益效果：本發明所述的非化學計量比等溫合成天然氣方法，不需要調節合成氣的化學計量比，採用兩級等溫反應器串聯，具有適用範圍廣、流程短、無需工藝氣循環、能耗低，投資少、操作條件溫和，反應過程可控移熱，能量利用效率高等特點。

附圖說明

圖1是本發明的工藝流程示意圖。

圖中：1-合成氣加熱器，2-變換爐，3-第一鍋爐水加熱器，4-甲烷化爐，5-第二反應爐，6-第三反應爐，7-第二餘熱鍋爐，8-氣液分離器，9-ch4提純裝置，10-汽包。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明做進一步說明，但本發明的保護範圍不限於此：

一種非化學計量比等溫合成天然氣的系統，該系統包括變換爐(2)、甲烷化爐(4)、ch4提純裝置(9)以及氣液分離器(8)，所述的變換爐(2)頂部的輸入端與高壓蒸汽的管道相連，來自上遊酸性氣體脫除裝置的合成氣的管道與合成氣加熱器(1)的輸入端相連，合成氣加熱器(1)的輸出端通過高壓蒸汽的管道與變換爐(2)頂部相連，所述的變換爐(2)底部的輸出端通過第一鍋爐水加熱器(3)與甲烷化爐(4)的頂部輸入端相連，所述的甲烷化爐(4)底部的輸出端依次通過合成氣加熱器(1)、第二鍋爐水加熱器(5)、脫鹽水加熱器(6)、冷卻器(7)和氣液分離器(8)相連；所述的氣液分離器(8)的頂部輸出端與ch4提純裝置(9)相連，所述的ch4提純裝置(9)一個輸出端為高純度co2氣體輸出端，另一個輸出端為高純度甲烷的天然氣輸出端，所述的氣液分離器(8)的底部輸出端為液相去界外回用。

高壓鍋爐給水的輸出管道分別與第二鍋爐水加熱器(5)和第一鍋爐水加熱器(3)相連，所述的第一鍋爐水加熱器(3)通過變換爐(2)與汽包(10)相連，所述的第二鍋爐水加熱器(5)通過甲烷化爐(4)也與汽包(10)相連，所述的汽包(10)的輸出端與飽和蒸汽的輸出端相連。

一種利用上述系統進行非化學計量比等溫合成天然氣的方法，具體步驟如實例1～3。實例1：

水煤漿氣化獲得的粗煤氣經過餘熱回收和酸性氣體脫除裝置後，獲得22400nm3/h合成氣，溫度為30℃，壓力為3.6mpa，組成為co：44.01％，h2:35.87％，co2：19.5％，ch4：0.03％，n2：0.46％，ar:0.12％，進入合成氣加熱器升溫至200℃後，與來自界外的1200kg/h(280℃，4.0mpa)高壓蒸汽混合，再進入變換爐發生等溫變換反應，變換爐的操作溫度控制在250℃，得到富含氫氣濃度為39.6％的工藝氣經第一鍋爐水加熱器降溫至220℃後，進入到甲烷化爐進行等溫甲烷化反應，甲烷化爐的操作溫度控制在320℃，得到富含甲烷濃度為30％的工藝氣經合成氣加熱器冷卻後，進入第二鍋爐水加熱器降溫至138℃後，進入到脫鹽水加熱器被進一步降溫至70℃，然後進入冷卻器冷卻至40℃後進入到氣液分離器分離凝液後，氣相去ch4提純裝置除去co2等雜質氣體，得到4680nm3/h，純度為96～99％的天然氣和9744nm3/h純度大於99％的高純co2氣體，液相共計433kg/h送出界外回收利用；來自界外的高壓鍋爐水分為兩股，一股去第一鍋爐水加熱升溫後去變換爐副產770kg/h飽和高壓蒸汽(234℃，3.0mpa)；另一股經過第二鍋爐水加熱器升溫後去甲烷化爐副產18860kg/h飽和高壓蒸汽(234℃，3.0mpa)；所得兩股飽和高壓蒸汽經過汽包混合後共計19630kg/h送去界外。

實例2：

循環流化床氣化獲得的粗煤氣經過餘熱回收和酸性氣體脫除裝置後，獲得22400nm3/h合成氣，溫度為30℃，壓力為2.75mpa，組成為co：38.42％，h2:29.41％，co2：29.94％，ch4：6.91％，n2：0.24％，ar:0.09％，進入合成氣加熱器升溫至200℃後，與來自界外的1200kg/h(280℃，4.0mpa)高壓蒸汽混合，再進入變換爐發生等溫變換反應，變換爐的操作溫度控制在260℃，得到富含氫氣濃度為33.4％的工藝氣經第一鍋爐水加熱器降溫至220℃後，進入到甲烷化爐進行等溫甲烷化反應，甲烷化爐的操作溫度控制在330℃，得到富含甲烷濃度為32.7％的工藝氣經合成氣加熱器冷卻後，進入第二鍋爐水加熱器降溫至138℃後，進入到脫鹽水加熱器被進一步降溫至70℃，然後進入冷卻器冷卻至40℃後進入到氣液分離器分離凝液後，氣相去ch4提純裝置除去co2等雜質氣體，得到5508nm3/h純度為96～99％的天然氣和10382nm3/h純度為大於99％的高純co2氣體，液相共計346kg/h送出界外回收利用；來自界外的高壓鍋爐水分為兩股，一股去第一鍋爐水加熱升溫後去變換爐副產600kg/h飽和高壓蒸汽(224℃，2.5mpa)；另一股經過第二鍋爐水加熱器升溫後去甲烷化爐副產15180kg/h飽和高壓蒸汽(224℃，2.5mpa)；所得兩股飽和高壓蒸汽經過汽包混合後共計19630kg/h送去界外。

實例3：

粉煤氣化獲得的粗煤氣經過餘熱回收和酸性氣體脫除裝置後，獲得22400nm3/h合成氣，溫度為30℃，壓力為3.75mpa，組成為co：70.03％，h2:23.54％，co2：5.85％，ch4：10ppm，n2：0.46％，ar:0.12％，進入合成氣加熱器升溫至200℃後，與來自界外的5000kg/h(280℃，4.0mpa)高壓蒸汽混合，再進入變換爐發生等溫變換反應，變換爐的操作溫度控制在280℃，得到富含氫氣濃度為40％的工藝氣經第一鍋爐水加熱器降溫至220℃後，進入到甲烷化爐進行等溫甲烷化反應，甲烷化爐的操作溫度控制在350℃，得到富含甲烷濃度為28.7％的工藝氣經合成氣加熱器冷卻後，進入第二鍋爐水加熱器降溫至138℃後，進入到脫鹽水加熱器被進一步降溫至70℃，然後進入冷卻器冷卻至40℃後進入到氣液分離器分離凝液後，氣相去ch4提純裝置除去co2等雜質氣體，得到5476nm3/h純度為96～99％的天然氣和11746nm3/h純度大於99％的高純co2氣體，液相共計769kg/h送出界外回收利用；來自界外的高壓鍋爐水分為兩股，一股去第一鍋爐水加熱升溫後去變換爐副產3960kg/h飽和高壓蒸汽(250℃，4.0mpa)；另一股經過第二鍋爐水加熱器升溫後去甲烷化爐副產21300kg/h飽和高壓蒸汽(250℃，4.0mpa)；所得兩股飽和高壓蒸汽經過汽包混合後共計25260kg/h送去界外。

上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明創造的原理，並不因此而限定本發明的保護範圍，在不脫離本發明創造精神和範圍的前提下，本技術發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明未涉及部分均與現有技術相同或可採用現有技術加以實現。